CN106840110A - 一种应用于大型多板波浪模拟系统的运动测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于图像测量领域，提供了一种应用于大型多板波浪模拟系统的运动测量方法与装置。在对造波机运动测量时，首先利用摄像机采集现场图像，并在图像处理板中对每块造波板上的标志点进行识别，并计算中心位置。然后与初始位置进行对比计算其像面位移，并结合定标参数转化为物理空间上的位移量。接下来通过EtherCAT网络将数据传输到计算机，并对数据进行编码识别。最后，在计算机中将造波板运动的测量值与目标值进行对比分析，从而得到造波机的运动信息。本发明在造波机运动测量时充分考虑了实验现场光照的不均匀所造成的目标识别难，运动追踪不稳定的问题，以及图像分析算法耗时大、多相机系统数据传输效率低的问题。

Description

一种应用于大型多板波浪模拟系统的运动测量方法与装置

技术领域

本发明属于图像测量领域，涉及到大型波浪模拟系统中造波板位置的实时获取及组合运动曲线的评测问题，特别涉及基于EtheCAT网络的图像测量系统的设计方法。

背景技术

波浪模拟系统(又称为造波机系统)是海洋工程实验室中必备的一种环境模拟设备。通过造波机的使用可以在实验室有限的水池、水槽中人工产生规则波浪、不规则波浪，为海洋装备的研制提供实验验证的仿真环境。

使用造波机进行波浪模拟时，实验者首先根据目标谱设置波浪参数；然后根据系统传递函数计算每块造波板的运动曲线，并产生相应的控制信号；接下来，这些信息被传输到控制器中；随后，控制器根据所接受的运动信息控制与其连接的伺服轴产生运动；最后，造波板在伺服轴的带动下进行往复运动，从而产生不同形式的波浪。由此过程可以看出，波浪模拟的准确度完全取决于造波运动控制的精度。然而，造波过程是多块造波板联动的过程，每块造波板的运动数值均是造波运动曲线在空间分布上的一个离散采样点。另外，在多板造波机中并不是所有的造波板均在一个时钟下工作，即在造波板运动过程中存在着同步控制的精度问题。

为了解决造波机研制过程以及造波实验过程中对造波板运动控制性能的评测，在实际中常常采用人眼观测的方法以及采用激光位移传感器的方法。这两种方法可以部分解决一些现场评测的问题，但是在时间控制的精度上、对造波板同时测量的数量上、实验测量成本上以及操作的方便程度上都存在着很大的问题。因此迫切需要一种可应用于多板波浪模拟系统的测量方法与装置来实时同步获取所有造波板的瞬态位置信息。而采用图像测量的方法具有精度高、无扰动、全场测量、信息可视的特点。另外当该技术与EtherCAT数据采集技术融合后构建的图像测量系统不仅具有图像测量技术的特点，而且具有现场布线简单、视场范围大、安装方便、数据传输效率高的特点，非常适宜于建造大型多板造波系统的运动测量系统。

发明内容

针对海洋工程实验室中造波系统的运行状态监测问题，本发明将造波板运动测量与图像处理技术、EtherCAT网络技术相结合，提出了一种应用于大型多板波浪模拟系统的运动测量方法与装置。

本发明的技术方案：

一种应用于大型多板波浪模拟系统的运动测量装置，所述的运动测量装置包括计算机、摄像机、红外补光器、圆形荧光标志点以及EtherCAT图像处理板；所述的摄像机为带有定焦镜头的红外增强型工业摄像机，其数量由测量范围决定；所述的红外补光器的数量由现场的成像条件决定，EtherCAT图像处理板的数量与摄像机的数量一致；

运动测量装置采用基于EtherCAT网络的数据采集结构，计算机作为EtherCAT网络的主站；将摄像机布置在造波系统的上方，在满足测量精度的要求下视场覆盖所有造波板，当单台摄像机无法覆盖被测区域时则采用多台摄像机联合工作的方式；每台摄像机通过CameraLink接口与每个EtherCAT图像处理板相连，作为EtherCAT网络的从站；每块EtherCAT图像处理板的Trig触发接口互连在一起，第一块EtherCAT图像处理板与计算机通过RJ45网络接口连接，每台摄像机的EtherCAT图像处理板通过RJ45网络接口彼此互联在一起；红外补光器放置在摄像机的一侧用于对现场进行照明，其数量根据现场成像的质量进行选择；圆形荧光标志点黏贴或填涂造波板的连接板上；在对造波机运动测量时，首先利用摄像机采集现场图像，并在图像处理板中对每块造波板上的标志点进行识别，并计算中心位置；然后与初始位置进行对比计算其像面位移，并结合定标参数转化为物理空间上的位移量；接下来通过EtherCAT网络将数据传输到计算机，并对数据进行编码识别；最后，在计算机中将造波板运动的测量值与目标值进行对比分析，从而得到造波机的运动信息。

所述的红外补光器为850nm红外补光灯。

一种应用于大型多板波浪模拟系统的运动测量方法，步骤如下：

步骤A：在造波机的正上方安装好摄像机，并根据测量精度、相机分辨率以及测量范围选择摄像机的数量，将EtherCAT图像处理板彼此互联后与计算机相连，组成基于EtherCAT网络的数据采集结构；在造波板上方的连接板上固定圆形荧光标志点，采用四邻域布置方式，即沿造波板运行轴线方向在标识点的上、下、左、右相同距离处各布置四个辅助识别点；调整摄像机的位置使得标志点的布置方向与摄像图像的行列方向一致；通过EtherCAT图像处理板设置摄像机为外触发模式；EtherCAT图像处理板彼此间通过Trig接口进行触发信号的统一，同时向各自的摄像机发出一致的同步触发采集信号；

步骤B：摄像机布置完毕，初次运行时需要进行系统定标，分别在造波板的初始位置与最大行程位置各拍摄一次图像；EtherCAT图像处理板对采集的图像进行图像二值化以及圆形目标提取，并为每台造波板的运动图像信息建立查找表，记录造波板运动行程的物理距离与像面距离的比值K_i,i＝1,2,…,N，其中N为像面上造波板的数量，同时记录标志点的运动范围以及中心标志点运行轨迹的起点与终点图像坐标；在像面上为每个造波板按照从左到右的顺序进行编号，并将标定信息按照编号存储在图像处理板的存储空间内；

步骤C：对当前时刻的现场进行图像采集，在EtherCAT图像处理板中FPGA将图像数据采集到存储单元中，之后由EtherCAT图像处理板上的DSP对存储区的图像进行数据处理：首先在每块造波板的运动范围内提取所有标识点；然后在定标过程中记录的中心标识点运动区间线上对每个提取点进行辨别，仅当当前点上下左右各有一个邻近点时认为该点为正确的标志点；接下来将标志点的坐标减去记录的初始位置，从而得到该造波板运动的图像位移，随后将该数值乘上K_i得到物理位移值；在完成对每块造波板的图像分析后，得到每个图像上各块造波板的位移信息；最后，EtherCAT图像处理板将图像中造波板的运动信息按照“编号+位移量”的方式构建子报文，并通过EtherCAT网络反馈回计算机；

步骤D：计算机提取图像处理卡所传送来的报文，并按照从站的序号对报文中的数据进行重新编号，使得每台造波机的推板运动信息的编号唯一并且按照空间位置关系依次排列；

步骤E：计算机对造波板的位移信息进行分析：按照编号顺序将每块造波板的位移数据进行排列，形成测量数据曲线；与此同时，将当前时刻测量数据曲线与目标数据曲线进行差值计算，统计最大差异值以及平均差异值，并绘制每台造波板运行的误差曲线方便实验者进行造波机控制精度的检测；

步骤F：反复执行步骤C-步骤E，直到造波运动测量结束。

综上所述，测量前首先在造波板连接板上布置圆形标志点点阵；然后在造波机的正上方布置摄像机并进行系统定标；之后开始进行测量，测量时通过图像处理板进行标志点的鉴别与中心提取；接下来结合定标参数计算位移量并通过EtherCAT网络传输到计算机进行编号；最后在计算机中将测量数据与目标数据进行对比，从而得到造波板的运动控制信息。

本发明的有益效果：造波机运动测量时充分考虑了实验现场光照的不均匀所造成的目标识别难，运动追踪不稳定的问题，以及图像分析算法耗时大、多相机系统数据传输效率低的问题。以红外光谱配合标志点点阵来增强目标追踪的鲁棒性，并采用图像处理板硬件计算和EtherCAT网络相结合的方式，不仅提高了图像测量的速度，而且大幅度提高了数据传输效率，极大地促进了图像测量技术在造波机研究设计中的应用推广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图像处理板的结构示意图。

图中：1计算机；2摄像机；3EtherCAT图像处理板；4红外补光器；

5圆形荧光标志点；6连接板；7造波板。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种应用于大型多板波浪模拟系统的运动测量方法与装置，其结构示意如附图1所示：

包括一台计算机1、带有定焦镜头的红外增强型工业摄像机2(数量由测量范围决定)、红外补光器4(数量由现场的成像条件决定)、圆形荧光标志物5若干以及EtherCAT图像处理板3(数量与摄像机的数量一致)。整个测量系统采用EtherCAT网络构建形式，其中计算机1作为测量网络的主站。红外增强型工业摄像机2布置在造波系统的上方，在满足测量精度的要求下视场尽量覆盖所有造波板7。当单台摄像机无法覆盖被测区域时则采用多台摄像机2联合工作的方式。每台摄像机2通过CameraLink接口与EtherCAT图像处理板3相连，作为EtherCAT网络的从站。将第一块图像处理板3与计算机1通过RJ45网络接口连接在一起。将每台摄像机2的EtherCAT图像处理板3通过RJ45网络接口彼此互联在一起。此外，为了保证摄像机2同步的精度，将每块EtherCAT图像处理板3的Trig触发接口互连在一起。850nm红外补光灯放置在摄像机2的一侧用于对现场进行照明，其数量根据现场成像的质量进行选择。圆形荧光标志点5可以采用黏贴或填涂的方式，放置在造波板7的连接板6上。在对造波机运动测量时，首先利用摄像机2采集现场图像，并在EtherCAT图像处理板3中对每块造波板7上的圆形荧光标志点5进行识别，并计算中心位置。然后与初始位置进行对比计算其像面位移，并结合定标参数转化为物理空间上的位移量。接下来通过EtherCAT网络将数据传输到计算机，并对数据进行编码识别。最后，在计算机1中将造波板7运动的测量值与目标值进行对比分析，从而得到造波机的运动信息。具体方法描述如下：

步骤A：在造波机的正上方安装好摄像机2，并根据测量精度、相机分辨率以及测量范围选择摄像机2的数量。将EtherCAT图像处理板3彼此互联后与计算机1相连，从而组成基于EtherCAT网络的数据采集结构。与此同时，在造波板7上方的连接板6上固定荧光标志点5。布放时采用四邻域布置方式，即沿造波板运行轴线方向在标识点的上、下、左、右相同距离处各再布置四个辅助识别点。之后，调整摄像机2的位置使得标志点的布置方向与摄像图像的行列方向一致。通过EtherCAT图像处理板3设置摄像机2为外触发模式。EtherCAT图像处理板3彼此间通过Trig接口进行触发信号的统一，同时向各自的摄像机2发出一致的同步触发采集信号。

步骤B：当摄像机2布置完毕初次运行时需要进行系统定标。此时分别在造波板7的初始位置与最大行程位置各拍摄一次图像。EtherCAT图像处理板3对采集的图像进行图像二值化以及圆形目标提取，并为每台造波板7的运动图像信息建立查找表，记录造波板7运动行程的物理距离与像面距离的比值K_i,i＝1,2,…,N，其中N为像面上造波板7的数量，同时记录圆形荧光标志点5的运动的范围以及中心标志点运行轨迹的起点与终点图像坐标。在像面上为每个造波板7按照从左到右的顺序进行编号，并将标定信息按照编号存储在EtherCAT图像处理板3的存储空间内。

步骤C：对当前时刻的现场进行图像采集。此时，在EtherCAT图像处理板3中FPGA将图像数据采集到存储单元中，之后由板上的DSP对存储区的图像进行数据处理：首先在每块造波板的运动范围内提取所有标识点；然后在定标过程中记录的中心标识点运动区间线上对每个提取点进行辨别，仅当当前点上下左右各有一个邻近点时认为改该点为正确的标志点；接下来将标志点的坐标减去记录的初始位置，从而得到该造波板7运动的图像位移，随后将该数值乘上K_i得到物理位移值。在完成对每块造波板7的图像分析后，便可以得到每个图像上各块造波板7的位移信息。最后，EtherCAT图像处理板3将图像中造波板7的运动信息按照“编号+位移量”的方式构建子报文，并通过EtherCAT网络反馈回计算机1。

步骤D：计算机1提取图像处理卡所传送来的报文，并按照从站的序号对报文中的数据进行重新编号，使得每台造波机7的推板运动信息的编号唯一并且按照空间位置关系依次排列。

步骤E：计算机1对造波板7的位移信息进行分析：按照编号顺序将每块造波板7的位移数据进行排列，形成测量数据曲线。与此同时，将当前时刻测量数据曲线与目标数据曲线进行差值计算，统计最大差异值以及平均差异值，并绘制每台造波板7运行的误差曲线方便实验者进行造波机控制精度的检测。

步骤F：反复执行步骤C-步骤E，直到造波运动测量结束。

综上所述，测量前首先在造波板7连接板6上布置圆形荧光标志点5；然后在造波机的正上方布置摄像机2并进行系统定标；之后开始进行测量，测量时通过EtherCAT图像处理板3进行标志点的鉴别与中心提取；接下来结合定标参数计算位移量并通过EtherCAT网络传输到计算机1进行编号；最后在计算机1中将测量数据与目标数据进行对比，从而得到造波板7的运动控制信息。

Claims (3)

1.一种应用于大型多板波浪模拟系统的运动测量装置，其特征在于，所述的运动测量装置包括计算机、摄像机、红外补光器、圆形荧光标志点以及EtherCAT图像处理板；所述的摄像机为带有定焦镜头的红外增强型工业摄像机，其数量由测量范围决定；所述的红外补光器的数量由现场的成像条件决定，EtherCAT图像处理板的数量与摄像机的数量一致；

运动测量装置采用基于EtherCAT网络的数据采集结构，计算机作为EtherCAT网络的主站；将摄像机布置在造波系统的上方，在满足测量精度的要求下视场覆盖所有造波板，当单台摄像机无法覆盖被测区域时则采用多台摄像机联合工作的方式；每台摄像机通过CameraLink接口与每个EtherCAT图像处理板相连，作为EtherCAT网络的从站；每块EtherCAT图像处理板的Trig触发接口互连在一起，第一块EtherCAT图像处理板与计算机通过RJ45网络接口连接，每台摄像机的EtherCAT图像处理板通过RJ45网络接口彼此互联在一起；红外补光器放置在摄像机的一侧用于对现场进行照明，其数量根据现场成像的质量进行选择；圆形荧光标志点黏贴或填涂造波板的连接板上。

2.根据权利要求1所述的运动测量装置，其特征在于，所述的红外补光器为850nm红外补光灯。

3.一种应用于大型多板波浪模拟系统的运动测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤A：在造波机的正上方安装好摄像机，并根据测量精度、相机分辨率以及测量范围选择摄像机的数量，将EtherCAT图像处理板彼此互联后与计算机相连，组成基于EtherCAT网络的数据采集结构；在造波板上方的连接板上固定圆形荧光标志点，采用四邻域布置方式，即沿造波板运行轴线方向在标识点的上、下、左、右相同距离处各布置四个辅助识别点；调整摄像机的位置使得标志点的布置方向与摄像图像的行列方向一致；通过EtherCAT图像处理板设置摄像机为外触发模式；EtherCAT图像处理板彼此间通过Trig接口进行触发信号的统一，同时向各自的摄像机发出一致的同步触发采集信号；

步骤B：摄像机布置完毕，初次运行时需要进行系统定标，分别在造波板的初始位置与最大行程位置各拍摄一次图像；EtherCAT图像处理板对采集的图像进行图像二值化以及圆形目标提取，并为每台造波板的运动图像信息建立查找表，记录造波板运动行程的物理距离与像面距离的比值K_i,i＝1,2,…,N，其中N为像面上造波板的数量，同时记录标志点的运动范围以及中心标志点运行轨迹的起点与终点图像坐标；在像面上为每个造波板按照从左到右的顺序进行编号，并将标定信息按照编号存储在图像处理板的存储空间内；

步骤C：对当前时刻的现场进行图像采集，在EtherCAT图像处理板中FPGA将图像数据采集到存储单元中，之后由EtherCAT图像处理板上的DSP对存储区的图像进行数据处理：首先在每块造波板的运动范围内提取所有标识点；然后在定标过程中记录的中心标识点运动区间线上对每个提取点进行辨别，仅当当前点上下左右各有一个邻近点时认为该点为正确的标志点；接下来将标志点的坐标减去记录的初始位置，从而得到该造波板运动的图像位移，随后将该数值乘上K_i得到物理位移值；在完成对每块造波板的图像分析后，得到每个图像上各块造波板的位移信息；最后，EtherCAT图像处理板将图像中造波板的运动信息按照“编号+位移量”的方式构建子报文，并通过EtherCAT网络反馈回计算机；

步骤D：计算机提取图像处理卡所传送来的报文，并按照从站的序号对报文中的数据进行重新编号，使得每台造波机的推板运动信息的编号唯一并且按照空间位置关系依次排列；

步骤E：计算机对造波板的位移信息进行分析：按照编号顺序将每块造波板的位移数据进行排列，形成测量数据曲线；与此同时，将当前时刻测量数据曲线与目标数据曲线进行差值计算，统计最大差异值以及平均差异值，并绘制每台造波板运行的误差曲线方便实验者进行造波机控制精度的检测；

步骤F：反复执行步骤C-步骤E，直到造波运动测量结束。